Zn-H₃btc, бул изилдөөдө цинк тузу менен тримезин кислотасынын лиганды DMF чөйрөсүндө реакцияга киргизилип даярдалган цинк-тримезат металл-органикалык каркасы (metal–organic framework, MOF). Изилдөөдө Zn-H₃btcнин синтетикалык суу эритмелериндеги Pb(II) иондорун адсорбциялоо жүрүм-туруму; баштапкы концентрация, байланышуу убактысы, pH, адсорбент дозасы жана температура өзгөртүлүп изилденип, эксперименттик маалыматтар тең салмак изотермалары, кинетикалык моделдер жана термодинамикалык теңдемелер аркылуу бааланган.

Zn-H₃btc Фурье-түрлөндүрүүчү инфракызыл спектроскопия (FTIR), сканерлөөчү электрондук микроскопия (SEM), энергия-дисперсиялык рентген спектроскопиясы (EDS), порошоктук рентген дифракциясы (PXRD), термогравиметриялык анализ (TGA) жана туунду термогравиметриялык анализ (DTG) менен мүнөздөлгөн. Булак бул мүнөздөөлөр синтезделген продукт тримезин кислотасынан айырмаланарын жана цинк камтыган жаңы каркас түзүлүшү пайда болгонун колдой турганын билдирет.

Баштапкы Pb(II) концентрациясы 20–60 mg/L аралыгында изилденген. Булакта 20, 30, 40, 50 жана 60 mg/L баштапкы концентрациялар үчүн пайыздык адсорбция тиешелүүлүгүнө жараша %80,818; %53,786; %50,649; %51,417 жана %64,257 деп берилген. Ошол эле шарттарда эсептелген адсорбция сыйымдуулуктары 16,164; 16,136; 20,260; 25,709 жана 38,554 mg/g. Бул сандар пайыздык чыгаруу жалпысынан жогорураак баштапкы концентрацияларда төмөнүрөөк бойдон каларын; тескерисинче, адсорбенттин бирдик массасына кармалган Pb көлөмү жогорку концентрацияларда көбөйөрүн көрсөтөт. Бирок тенденция толугу менен монотондуу эмес: пайыздык чыгаруу 40 mg/Lден кийин кайра жогорулайт, Qe болсо 20 mg/Lден 30 mg/Lге өтүүдө өтө кичине төмөндөйт.

pH таасиринде Pb(II) чыгаруу pH 3төн pH 6га чейин өсүп, pH 6да %96,448 менен эң жогорку мааниге жеткен. Булак оптималдуу чыгаруу аралыгын pH 5–7 деп көрсөтөт. Байланышуу убактысы боюнча экспериментте булак 40 mg/L Pb(II), болжол менен pH 6,9 жана 298 K шартында адсорбциянын аякташы үчүн 10 мүнөт жетиштүү экенин билдирет.

Тең салмак моделдеринде Langmuir изотермасы \(R^2=0{,}9934\) менен эң жогорку дал келүүнү берип, максималдуу бир катмарлуу адсорбция сыйымдуулугу \(Q_m=54{,}05\) mg/g деп эсептелген. Freundlich үчүн \(R^2=0{,}9256\), Temkin үчүн \(R^2=0{,}9524\) билдирилген. Ошондуктан булак Langmuir жүрүм-туруму үстөм экенин, бирок Freundlich дал келүүсүн да толугу менен эске албай коюуга болбой турганын белгилейт.

Кинетикалык салыштырууда zero-order, first-order, second-order жана pseudo-first-order графиктери сызыктуу дал келүү бербегени; ал эми pseudo-second-order графиги сызыктуу болгону билдирилген. Булак муну хемосорбциянын пайдасына чечмелеген. Бирок моделдин дал келүүсү химиялык байланыштын түздөн-түз байкалышы эмес; изилдөөдө хемосорбция тууралуу чечмелөө жогорку изостерикалык адсорбция жылуулугу менен да колдоого алынат.

Термодинамикалык эсептөөлөрдө \(\Delta G\) маанилери 290, 301 жана 311 K үчүн тиешелүүлүгүнө жараша −20,34; −20,40 жана −20,45 kJ/mol деп билдирилип, булак адсорбцияны өзүнөн-өзү жүрүүчү процесс катары чечмелеген. Изостерикалык адсорбция жылуулугу \(\Delta H_x=133{,}39\) kJ/mol, активдешүү энергиясы \(E_a=14{,}42\) kJ/mol жана sticking probability \(S^*=0{,}014\) деп берилген.

Изилдөө чыныгы өнөр жай саркынды суусун колдонгон эмес. Көңдөй өлчөмүнүн бөлүштүрүлүшү, BET бет аянты, орточо кристаллит өлчөмү, беттик заряд, адсорбенттин регенерациясы жана көп циклдүү кайра колдонуу көрсөткүчү өлчөнгөн эмес. Ошондуктан изилдөө Zn-H₃btcнин көзөмөлдөнгөн синтетикалык Pb(II) эритмелериндеги адсорбциялык мүмкүнчүлүгүн көрсөтөт; анын өнөр жай саркынды суусундагы узак мөөнөттүү көрсөткүчүн жалгыз өзү далилдебейт.

Изилдөөнүн негизги маселеси эмнеде?

Изилдөө суудагы Pb(II) иондорун металл-органикалык каркас колдонуу менен адсорбциялык жол аркылуу алып салууга багытталган. Коргошун иондору суу чөйрөсүндө эрий турган жана тирүү системаларда топтоло ала турган уулуу металл түрлөрү. Изилдөөчүлөр цинк жана тримезин кислотасынын негизинде даярдалган Zn-H₃btcнин Pb(II) иондорун кармоо сыйымдуулугун жана бул кармалыштын тең салмактык, ылдамдыктык жана термодинамикалык касиеттерин аныктоону максат кылышкан.

Металл-органикалык каркастар — металл борборлору менен органикалык лиганддар кайталануучу координациялык түзүлүштөр аркылуу түзгөн кеңейтилген катуу тармактар. Бул изилдөөдө колдонулган органикалык лиганд — тримезин кислотасы, башкача айтканда benzene-1,3,5-tricarboxylic acid. Үч карбоксил кислотасы тобун камтыгандыктан, цинк борборлору менен координация түзө ала турган бир нече байланышуу участокторуна ээ.

Zn-H₃btc кантип синтезделди?

Булак синтез процедурасында 2 g цинк нитраты кошулмасы, 2 g тримезин кислотасы жана 40 mL N,N-dimethylformamide (DMF) колдонулганын билдирет. Аралашма компоненттер эригенге чейин аралаштырылып, андан соң тегерек түптүү колбага өткөрүлүп, үзгүлтүксүз аралаштыруу шартында 100 °Cде 16 саат reflux жасалган.

Reflux — эриткич кайнаганда бууланып, муздаткычта конденсацияланып кайра реакция идишине кайтуусун камсыз кылган ысытуу ыкмасы. Ошентип, аралашма эриткичти олуттуу жоготпостон узак убакыт жогорку температурада кармала алат.

Реакциядан кийин аралашма бөлмө температурасына чейин муздатылган; пайда болгон ак катуу зат чыпкаланып, реакцияга кирбеген лигандды алып салуу үчүн DMF менен жуулган. Катуу зат андан кийин центрифугалоо аркылуу кайра алынган жана көңдөйлөрдө/катуу заттын ичинде калган DMFни алып салуу үчүн бир нече жолу methanol менен жуулган. Ак порошок 40 °Cде 1 саат кургатылып, аба өткөрбөгөн идиште сакталган.

Булак ичиндеги химиялык формула эскертүүсү: Реактивдер тизмесинде zinc nitrate Zn(NO₃)₂ деп жазылган. Синтез процедурасында болсо ошол эле баштапкы зат “ZnNO₃·6H₂O” түрүндө берилген. Булак бул формула айырмасын түшүндүрбөйт. Ошондуктан Verianla унчукпай башка формуланы тандабайт.

FTIR эмнени көрсөттү?

FTIR өлчөөсү Perkin-Elmer Spectrum 400 Model FT-IR/FT спектрометри менен жүргүзүлгөн. Спектрдик чечилиш 4,0 cm⁻¹, өлчөө аралыгы 4000–520 cm⁻¹.

Булак Zn-H₃btc спектринин таза тримезин кислотасынын спектринен айырмаланышын жана жаңы/жылган тилкелерди цинк менен лиганддын ортосунда жаңы продукт пайда болушунун көрсөткүчү катары чечмелейт. FTIR жалгыз өзү толук үч өлчөмдүү MOF түзүлүшүн чечпейт; бул жерде функционалдык топ жана байланыш чөйрөсүнүн өзгөрүшүн колдогон мүнөздөөчү далил болуп саналат.

SEM жана EDS эмнени көрсөттү?

SEM сүрөттөрү Nova NanoSEM200 түзмөгүндө 10,0 kV тездетүүчү чыңалууда алынган. Булактагы 2-сүрөттө эки сүрөт бар: бири 20 μm масштаб жана 2840× чоңойтуу, экинчиси 10 μm масштаб жана 4830× чоңойтуу.

Булак тексти морфологияны эки башка сөз айкашы менен сүрөттөйт: адегенде “кичинекей, шар сымал кристаллдар жана жылмакайыраак беттер”, кийинчерээк кичинекей “rod-like” түзүлүштөр айтылат. Чыныгы SEM сүрөттөрүндө тыгыз, узарган жана таякча/тасма сымал бөлүкчөлөр түзгөн структура көрүнөт. Ошондуктан Verianla булактагы эки баяндоонун бирин унчукпай өчүрбөйт.

EDS анализи көмүртек, кычкылтек, цинк жана аз өлчөмдө кальций көрсөткөн.

Булак %0,6 кальцийди синтез процессинен келген кошулма катары чечмелейт. Көмүртек, кычкылтек жана цинк негизги компоненттерди түзөт.

PXRD эмнени көрсөттү?

PXRD өлчөөлөрү Shimadzu XRD-7000 MAXIma X diffractometer менен 45 kV жана 40 mA шартында жүргүзүлгөн. Булак Cu Kα₁ үчүн толкун узундугун 1,540598 жана Kα₂ үчүн 1,544426 деп берет. Сканерлөө ылдамдыгы 1 s/step, step size 0,03°.

Zn-H₃btc дифрактограммасында 2θ = 10,8° менен 39,4° арасында көптөгөн курч чокулар байкалган. Булак Zn-H₃btc үчүн 10,8°, 12,4°, 19,4°, 23,8° жана 27,9° сыяктуу жаңы мүнөздүү чокуларды билдирип, алардын таза тримезин кислотасынын үлгүсүнөн айырмаланышын жаңы продукт пайда болушу менен байланыштырат.

Таза тримезин кислотасы үчүн 11°, 13°, 24°, 28° жана 30° чокулары тиешелүүлүгүнө жараша 010, 101, 020, 121 жана 310 кристаллографиялык тегиздиктерге таандык кылынган.

TGA жана DTG эмнени көрсөттү?

TGA Perkin-Elmer TGA 4000 түзмөгүндө инерттүү nitrogen атмосферасында, бөлмө температурасынан 900 °Cге чейин 10 °C/dk рампа ылдамдыгында жүргүзүлгөн. Булак газ шартын “3,2 bars flow rate” деп билдирет. Bar — басым бирдиги; булак чыныгы көлөмдүк/массалык газ агымынын бирдигин өзүнчө бербейт. Ошондуктан маани кайра чечмеленген эмес.

Булак TGAда 94, 145, 265, 306, 495 жана 521 °C чамасында масса жоготуу аймактарын билдирет. Эң жогорку пайыздык жоготуу болжол менен %20 болуп, 521 °C чамасында болгон; 521–900 °C аралыгында материалдын массасы туруктуураак болуп калганы айтылган.

DTG баалоосунда 145, 265, 306, 495 жана 521 °Cде беш чоку билдирилген. Булак бул окуяларды “endothermic processes” деп атайт; бирок DTG түздөн-түз жылуулук агымын өлчөө эмес, температура боюнча масса жоготуу ылдамдыгынын туундусу. Verianla булактын аталышын сактайт жана DTGни өзүнчө калориметриялык өлчөө катары көрсөтпөйт.

Zn-H₃btc Pb(II) Үчүн Канча Адсорбция Сыйымдуулугун Көрсөттү?

Langmuir моделинен эсептелген максималдуу бир катмарлуу адсорбция сыйымдуулугу 54,05 mg/g; ал эми эксперименттик Qe мааниси баштапкы Pb(II) концентрациясы 60 mg/L болгондо булакта 38,554 mg/g деп берилген, демек 54,05 mg/g экспериментте түздөн-түз өлчөнгөн жалгыз чекит эмес, Langmuir моделинин параметри.

Адсорбция сыйымдуулугу Qe кантип эсептелди?

Булак batch адсорбциясында масса балансы үчүн Теңдеме (1)ди колдонгон:

\[ Q_e=\frac{V}{M}(C_0-C_e) \]

Формула эмнени эсептейт? Тең салмакка жеткенде бир грамм кургак Zn-H₃btc тарабынан кармалган Pb(II) массасын эсептейт.

• \(Q_e\): тең салмак адсорбция сыйымдуулугу, mg/g.
• \(C_0\): баштапкы Pb(II) концентрациясы, mg/L.
• \(C_e\): тең салмактан кийин эритмеде калган Pb(II) концентрациясы, mg/L.
• \(V\): эритменин көлөмү, L.
• \(M\): колдонулган кургак Zn-H₃btc массасы, g.

\((C_0-C_e)\) эритмеден алынган Pb концентрациясы. Аны \(V\)ге көбөйтүү адсорбцияланган Pb массасын, \(M\)ге бөлүү болсо адсорбенттин бирдик массасына сыйымдуулукту берет.

Баштапкы концентрациянын таасири

Булак пайыздык адсорбция баштапкы концентрация көбөйгөн сайын “төмөндөө тенденциясында” экенин белгилейт. Так сандар каралганда төмөндөө 20–40 mg/L арасында ачык; 50 жана 60 mg/Lде пайыз кайра өсөт. Ошондуктан байланыш монотондуу төмөндөө эмес.

Булак ошондой эле Qe баштапкы концентрация көбөйгөн сайын жогорулай турганын белгилейт. Маалыматтарда 20 mg/Lдеги 16,164 mg/g маанисинен 30 mg/Lдеги 16,136 mg/g маанисине өтө кичине түшүү бар; андан кийин 60 mg/Lге чейин айкын өсүү байкалат.

pH таасири

pH 3–7 аралыгында изилденген. Булак pH жогорулаган сайын Pb(II) адсорбциясы pH 6га чейин өсүп, pH 6да %96,448ге жеткенин билдирет. pH 6дан кийин пайыздык адсорбция төмөндөгөн.

Булак төмөн pH аймагындагы төмөн адсорбцияны H⁺ концентрациясынын жогору болушу адсорбенттин активдүү участоктору үчүн Pb(II) иондору менен атаандашары менен байланыштырат.

pH 6дан кийинки төмөндөө үчүн авторлор MOF бетин Pb иондору толугу менен ээлеп алган болушу мүмкүн деген чечмелөөнү беришет. Бул ээлөө түздөн-түз беттик спектроскопия менен өлчөнгөн эмес; булакта берилген эксперименттик тенденциянын чечмелөөсү.

Байланышуу убактысынын таасири

Байланышуу убактысы 10–50 мүнөт аралыгында сыноодон өткөрүлгөн. Эксперименттерде 20 mL эритме, 20 mg адсорбент жана 40 mg/L Pb(II) колдонулган.

Булак эң жогорку адсорбция 10 мүнөттө болгонун жана бул кыска убакыт Pb(II) тез кабыл алынарын көрсөтөрүн билдирет. Жыйынтык бөлүмүндө бул шарт болжол менен pH 6,9 жана 298 K менен байланышкан.

Адсорбент дозасынын таасири

Адсорбент көлөмү 10, 20, 30, 40 жана 50 mg болуп өзгөртүлгөн. Булак 10 mgдан 40 mgга чейин пайыздык чыгаруу көбөйүп, 40 mg адсорбент колдонулганда %72,19га жеткенин билдирет.

Булак ыкма бөлүмүндө бул эксперимент үчүн колдонулган материалды бир жерде “H₃-btc” деп атайт; макаланын негизги адсорбенти Zn-H₃btc. Verianla бул аталыш айырмасын булак ичиндеги эскертүү катары сактайт.

Температуранын таасири

Температура эксперименттери 17, 28 жана 38 °Cде жүргүзүлгөн. Ар бир температурада 20, 30, 40, 50 жана 60 mg/L баштапкы Pb(II) концентрациялары колдонулган.

Булак температура жогорулаган сайын пайыздык адсорбция төмөндөй турганын билдирет. Бул байкоо Temkin жана термодинамикалык баалоолордо адсорбция экзотермиялык мүнөзгө ээ деген авторлордун чечмелөөсү менен бирге каралган.

Langmuir Изотермасынын Эң Жакшы Дал Келүү Бериши Эмнени Билдирет?

Изилдөөдөгү үч тең салмак моделинин ичинен Langmuir модели \(R^2=0{,}9934\) менен эң жогорку сызыктуу дал келүүнү көрсөткөн; булак муну адсорбцияны негизинен бир катмарлуу жана бир тектүү байланышуу участоктору жөнүндө божомол менен түшүндүрүүгө болот деп чечмелейт, бирок Freundlichтин \(R^2=0{,}9256\) маанисинен улам гетерогендүү же көп катмарлуу салымдарды толугу менен четке кагууга болбой турганын да белгилейт.

Langmuir модели — Теңдеме (2)

\[ \frac{C_e}{Q_e}=\frac{1}{Q_mK_L}+\frac{C_e}{Q_m} \]

• \(C_e\): тең салмактагы Pb(II) концентрациясы.
• \(Q_e\): тең салмак адсорбция сыйымдуулугу.
• \(Q_m\): Langmuir максималдуу бир катмарлуу сыйымдуулугу.
• \(K_L\): Langmuir тең салмак туруктуусу.

\(C_e/Q_e\) маанисинин \(C_e\)ге карата графигинде эңкейиш \(1/Q_m\), кесилиш болсо \(1/(Q_mK_L)\) байланышын берет. Изилдөөдө \(Q_m=54{,}05\) mg/g жана \(K_L=3{,}85\) L/mg эсептелген.

Langmuir бөлүү фактору Sf — Теңдеме (3)

\[ S_f=\frac{1}{1+K_LC_0} \]

\(S_f\) өлчөмсүз. Булактын классификациясы боюнча:

• \(S_f>1\): жагымсыз адсорбция,
• \(S_f=1\): сызыктуу адсорбция,
• \(0<S_f<1\): жагымдуу адсорбция,
• \(S_f=0\): кайтарылгыс адсорбция.

Бардык маанилердин 0 менен 1 арасында болушу, булактын Langmuir критерийи боюнча изилденген концентрацияларда адсорбция жагымдуу экенин көрсөтөт.

Freundlich модели — Теңдеме (4)

\[ \ln Q_e=\ln K_F+\frac{1}{n}\ln C_e \]

\(K_F\) булакта Freundlich адсорбция сыйымдуулугу, \(n\) болсо adsorption intensity/hopping number деп аныкталат. \(\ln Q_e\) менен \(\ln C_e\) графигинин эңкейиши \(1/n\), кесилиши \(\ln K_F\).

Изилдөөдө \(K_F=77{,}74\ \text{mg/g}\,(\text{L/mg})^{1/n}\) жана 2-таблица боюнча \(1/n=0{,}26\) берилген. Негизги текст болсо ошол эле маанини 0,25 деп жазат. Булакта эки башка маани болгондуктан Verianla 2-таблицадагы маанини өзгөрткөн эмес жана айырманы ачык белгилеген.

Temkin модели — Теңдеме (5)

Булакта Теңдеме (5) төмөнкү түрдө басылган:

\[ Q_e=\frac{RT}{B_T}\ln C_e+\frac{RT}{i}\ln K_T \]

Булак ичиндеги теңдеме эскертүүсү: экинчи мүчөнүн бөлүүчүсүндөгү \(i\) символу текстте аныкталбайт. Булак \(K_T\), \(B_T\), \(R\) жана \(T\) гана аныктайт. Ошондуктан бул жерде \(i\) башка символ менен алмаштырылган эмес.

• \(R\): universal gas constant.
• \(T\): absolute temperature.
• \(K_T\): Temkin isotherm constant.
• \(B_T\): булакта adsorption heat менен байланышкан Temkin туруктуусу.

2-таблицада \(K_T=5{,}459\) L/g, \(B_T=66{,}26\) J/mol жана \(R^2=0{,}9524\) билдирилген.

Temkin жылуулугу жана энтальпия байланышы — Теңдеме (6)

\[ B_T=\Delta q=-\Delta H \]

Булак оң \(B_T=66{,}26\) J/mol маанисин адсорбция жылуулугунун азайышы жана ошентип экзотермиялык жүрүм-турум менен байланыштырат.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Batch адсорбция эксперименттик түзүлүшү

Адсорбция эксперименттери Labcon 3100U orbital shaker колдонулуп 100 rpmде жүргүзүлгөн. Акыркы Pb(II) концентрациялары Buck Scientific 200A Atomic Absorption/Emission Spectrophotometer менен аныкталган.

Ар бир параметр эксперименти эки кайталоо менен жүргүзүлүп, орточо маани колдонулган. Булак стандарттык четтөө, ишеним аралыгы же кайталоолор арасындагы өзүнчө маанилерди билдирбейт.

Сток эритменин формуласы жана концентрация эскертүүсү

Реактивдер тизмеси lead(II) nitrateти Pb(NO₃)₂ деп берет. Batch эксперимент бөлүмүндө болсо “500 mg/L stock solution made by dissolving 500 mg of PbNO₃ salt ... in 1 L” деген сөз айкашы бар.

Бул сөз айкашы эки себептен улам кайра өндүрүлүүчүлүк жагынан белгисиздик жаратат: химиялык формула реактивдер тизмеси менен бирдей эмес жана 500 mg тузду 1 Lде эритүү металл ионунун массасына карата өзүнчө айландырылбаса, түздөн-түз 500 mg/L элементтик Pb(II) дегенди билдирбейт. Булак өзүнчө молярдык/массалык түзөтүү эсебин бербегендиктен Verianla мындай эсепти ойлоп чыгарбайт.

Кинетикалык моделдер

Булак беш кинетикалык теңдемени колдонгон.

Zero-order — Теңдеме (7)

\[ Q_t=k_0t \]

\(Q_t\) — \(t\) учурундагы адсорбция сыйымдуулугу. \(k_0\) zero-order rate constant. Модель \(Q_t\) убакыт менен сызыктуу өзгөрөт деп божомолдойт.

First-order — Теңдеме (8)

\[ \ln C_t=\ln C_0-k_1t \]

\(C_t\) — \(t\) учурунда эритмеде калган Pb(II) концентрациясы; \(C_0\) баштапкы концентрация. Сызыктуу \(\ln C_t\)–\(t\) байланышы first-order жүрүм-турумун колдойт.

Second-order — Теңдеме (9)

\[ \frac{1}{C_t}=\frac{1}{C_0}+k_2t \]

Бул түрдө \(1/C_t\)нин убакыт менен сызыктуу өзгөрүшү second-order моделге дал келүүнү көрсөтөт.

Pseudo-first-order — Теңдеме (10)

Булакта теңдеме төмөнкү түрдө басылган:

\[ \ln Q_e-Q_t=\ln Q_e-k_1t \]

Булак ичиндеги теңдеме эскертүүсү: булак \(Q_e-Q_t\) туюнтмасын логарифмдин кашаасынын ичинде көрсөтпөйт. Verianla кеңири тараган адабият формасын колдонуп унчукпай оңдоо киргизген эмес.

Pseudo-second-order — Теңдеме (11)

\[ \frac{t}{Q_t}=\frac{1}{K_2Q_e^2}+\frac{t}{Q_e} \]

Бул жерде \(K_2\) pseudo-second-order rate constant, \(Q_e\) тең салмак сыйымдуулугу жана \(Q_t\) белгилүү убактагы сыйымдуулук. \(t/Q_t\) менен \(t\) ортосундагы сызыктуу байланыш бул моделдин эксперименттик маалыматтарга дал келерин көрсөтөт.

Булак боюнча zero-, first-, second- жана pseudo-first-order графиктери сызыктуу эмес, ал эми pseudo-second-order графиги сызыктуу болуп чыккан. Авторлор бул жыйынтыкты хемосорбция механизминин көрсөткүчү катары чечмелешет.

Бул чечмелөөнүн чеги маанилүү: pseudo-second-order моделинин ийгиликтүү fit бериши адсорбциянын ылдамдык жүрүм-турумун түшүндүрөт; өзү бетте кайсы химиялык байланыш пайда болгонун түздөн-түз көрсөтпөйт. Бул изилдөөдө хемосорбция тууралуу чечмелөө жогорку \(\Delta H_x\) мааниси менен да колдоого алынат.

Бөлүкчө ичиндеги диффузия — Теңдеме (12)

\[ Q_t=K_i\sqrt{t}+C \]

• \(K_i\): бөлүкчө ичиндеги диффузиянын ылдамдык туруктуусу, mg/g·min^1/2.
• \(C\): boundary-layer thickness менен байланышкан кесилиш туруктуусу.

Weber–Morris чечмелөөсүнө ылайык, эгер бөлүкчө ичиндеги диффузия жалгыз ылдамдыкты чектөөчү баскыч болсо, \(Q_t\)–\(\sqrt{t}\) графиги сызыктуу болуп, координаталар башынан өтүшү күтүлөт.

Булак график сызыктуу эмес жана координаталар башынан өтпөй турганын билдирет. Ошондуктан бөлүкчө ичиндеги диффузия жалгыз ылдамдыкты аныктоочу механизм эмес деген жыйынтык чыгарылган. Терс \(K_i\) мааниси да 3-таблицада дал ушундай түрдө билдирилген; Verianla белгини өзгөртпөйт.

Clausius–Clapeyron ыкмасы — Теңдеме (13)

\[ \ln C_e=-\left[\frac{\Delta H_x}{R}\right]\frac{1}{T}+K \]

• \(\Delta H_x\): isosteric heat of adsorption.
• \(R\): газ туруктуусу.
• \(T\): абсолюттук температура.
• \(K\): булакта аныкталган туруктуу.

\(\ln C_e\) менен \(1/T\) графигинин эңкейишинен \(\Delta H_x\) алынган. Булак \(\Delta H_x=133{,}39\) kJ/mol жана \(R^2=0{,}9998\) билдирет.

Arrhenius/sticking probability ыкмасы — Теңдеме (14)

\[ \ln(1-\theta)=\ln S^*+\left[\frac{E_a}{R}\right]\frac{1}{T} \]

\(\theta\) — беттин капталуу катышы. \(E_a\) activation energy, \(S^*\) sticking probability. \(\ln(1-\theta)\) менен \(1/T\) графигинин эңкейиши жана кесилишинен бул параметрлер эсептелген.

Булак \(E_a=14{,}42\) kJ/mol, \(S^*=0{,}014\) жана \(R^2=0{,}9978\) берет.

Булактын өз классификациясы боюнча 5–40 kJ/mol аралыгындагы \(E_a\) маанилери physisorption менен байланыштырылат; \(0<S^*<1\) да physisorption-predominant favorable sticking деп аныкталат. Демек, бул эки көрсөткүч жалгыз өзү хемосорбцияны колдобойт.

Van't Hoff — Теңдеме (15)

\[ \ln K_c=\frac{\Delta S^0}{R}-\frac{\Delta H^0}{R}\frac{1}{T} \]

Булак \(K_c\)ни \(Q_e/C_e\) катышынан алынган туруктуу деп аныктайт. \(\ln K_c\)–\(1/T\) графигинин эңкейиши \(\Delta H^0\), кесилиши болсо \(\Delta S^0\) менен байланышкан.

Gibbs эркин энергиясы — Теңдеме (16)

\[ \Delta G=\Delta H-T\Delta S \]

Бул теңдеме температура \(T\), энтальпия өзгөрүшү \(\Delta H\) жана энтропия өзгөрүшү \(\Delta S\) аркылуу Gibbs эркин энергиясынын өзгөрүшүн берет. Булактын чечмелөөсү боюнча терс \(\Delta G\), изилденген температураларда адсорбция өзүнөн-өзү жүрөрүн көрсөтөт.

Булак ичиндеги математикалык дал келбестик: 4-таблицада басылган \(\Delta H\) бирдиги kJ/kmol, ал эми \(\Delta G\) kJ/mol. Мындан тышкары, \(\Delta S=-0{,}0054\) kJ/K/mol белгиси Теңдеме (16)га өзгөртүүсүз коюлганда температура жогорулаган сайын \(\Delta G\) азыраак терс болушу күтүлсө да, таблицада көбүрөөк терс маанилер берилген. Verianla бул белги же бирдикти божомол менен өзгөрткөн эмес.

Адсорбция физикалыкпы же химиялыкпы?

Булактын ар түрдүү көрсөткүчтөрү бирдей жана толугу менен бир багытта эмес.

• Pseudo-second-order кинетикалык дал келүү авторлор тарабынан хемосорбциянын пайдасына чечмеленген.
• \(\Delta H_x=133{,}39\) kJ/mol мааниси булак колдонгон >80 kJ/mol критерийи боюнча хемосорбция аралыгында.
• Ал эми \(E_a=14{,}42\) kJ/mol булактын өзүнүн 5–40 kJ/mol классификациясы боюнча physisorption аралыгында.
• \(S^*=0{,}014\), булактын өз классификациясы боюнча \(0<S^*<1\) жана ошондуктан favorable sticking / physisorption-predominant аймагында.

Авторлор бул айкалышты “low activation chemisorption” деп чечмелеп, Pb(II) байланышы ion exchange же surface complexation жолу менен болушу мүмкүн экенин белгилешкен. Бул эки механизм түздөн-түз спектроскопиялык жол менен айырмаланган эмес; булак аларды мүмкүн болгон түшүндүрмөлөр катары сунуштайт.

Бул Изилдөө Чыныгы Өнөр Жай Саркынды Суусундагы Көрсөткүчтү Далилдейби?

Жок. Эксперименттер лабораторияда даярдалган Pb(II) камтыган суу эритмелеринде жүргүзүлгөн; чыныгы өнөр жай саркынды суусунун матрицасы, көп металлдык атаандаштык, органикалык булгоочулар, эриген туздардын таасири, регенерация, көп циклдүү колдонуу, колонна иштетүү же пилоттук масштабдагы текшерүү бул изилдөөдө сыналган эмес.

Изилдөө колдогон жыйынтыктар

• Zn-H₃btc катуу заты цинк жана тримезин кислотасын колдонуу менен синтезделген.
• FTIR жана PXRD жыйынтыктары баштапкы лиганддан айырмаланган жаңы продукт пайда болушун колдойт.
• EDS негизги компоненттер катары C, O жана Zn көрсөткөн; %0,6 Ca булак тарабынан кошулма катары чечмеленген.
• Zn-H₃btc синтетикалык суу эритмесинен Pb(II) адсорбциялаган.
• pH 6да булакта %96,448 чыгаруу билдирилген.
• Булак оптималдуу pH аралыгын 5–7 деп берет.
• Langmuir салыштырылган үч изотерманын ичинен эң жогорку R² маанисин берген.
• Langmuir максималдуу бир катмарлуу сыйымдуулугу 54,05 mg/g деп эсептелген.
• Pseudo-second-order модель кинетикалык маалыматка эң жакшы дал келүүнү камсыз кылган.
• Бөлүкчө ичиндеги диффузия графиги координаталар башынан өтпөгөн жана сызыктуу болбогон; булак муну бөлүкчө ичиндеги диффузия жалгыз ылдамдыкты чектөөчү баскыч эмес экени менен байланыштырат.
• Билдирилген ΔG маанилери терс жана булак муну өзүнөн-өзү жүрүүчү адсорбция деп чечмелеген.
• Изостерикалык адсорбция жылуулугу 133,39 kJ/mol.
• Температура жогорулаган сайын пайыздык адсорбция төмөндөгөн.

Изилдөө колдобогон жыйынтыктар

• Zn-H₃btc чыныгы өнөр жай саркынды суусунда ошол эле көрсөткүчтү берери ырасталган эмес.
• Көп металл иондорунун атаандаш адсорбциясы сыналган эмес.
• Адсорбенттин регенерациясы же көп циклдүү кайра колдонулушу сыналган эмес.
• BET менчик бет аянты өлчөнгөн эмес.
• Көңдөй өлчөмүнүн бөлүштүрүлүшү аныкталган эмес.
• Орточо кристаллит өлчөмү эсептелген эмес.
• Беттик заряд же zeta potential өлчөнгөн эмес.
• Pb байланышы так ion exchangeби же surface complexationбы экени түздөн-түз аныкталган эмес.
• Уулуулук эксперименти жүргүзүлгөн эмес; “low toxicity” деген сөз айкашы бул изилдөөдө биологиялык уулуулук тести менен түздөн-түз ырасталган эмес.
• Колонна же үзгүлтүксүз агымдагы адсорбция системасы сыналган эмес.
• Пилоттук же өнөр жай масштабына чоңойтуу жүргүзүлгөн эмес.
• Эки кайталоо үчүн стандарттык четтөө, ишеним аралыгы же статистикалык маанилүүлүк тести билдирилген эмес.

Адабияттарды салыштыруу

Бул сыйымдуулук маанилери түздөн-түз “кайсы адсорбент жакшы?” деген рейтинг катары окулбашы керек. Булак өзү эксперименттик шарттар адсорбенттер арасында олуттуу айырмаланарын баса белгилейт. Мисалы, кээ бир салыштыруу изилдөөлөрүндө баштапкы Pb(II) концентрациясы 1000 mg/L жана байланышуу убактысы 1440 мүнөткө чейин жетет. Zn-H₃btc үчүн болсо изилденген максималдуу баштапкы концентрация 60 mg/L жана салыштыруу таблицасындагы байланышуу убактысы 50 мүнөт.

Келечектеги изилдөөлөр үчүн булактын сунуштары

Авторлор Zn-H₃btcнин колдонулушун күчтүүрөөк ырастоо үчүн экологиялык жактан таза synthesis ыкмаларын, өзгөчө hydrothermal же mechanochemical ыкмаларын изилдөөнү сунушташат.

Мындан тышкары, булак төмөнкү өлчөөлөр жүргүзүлбөгөнүн жана келечекте аныктоо пайдалуу болорун ачык белгилейт:

• pore size distribution,
• average crystallite size,
• surface area,
• surface charge,
• reusability,
• multi-stage wastewater treatment сыйымдуулугу.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Түпнуска аталыш: Thermodynamics, Equilibrium and Kinetic Evaluation of Lead Ion Interactions on Zinc Salt of Trimesic Acid MOF in Aqueous Solution

Авторлор: Charity W. Dikio; Samuel Ukachuku; Fanyana M. Mtunzi.

Corresponding authors: Charity W. Dikio жана Samuel Ukachuku.

Тең салым: Булакта тең биринчи авторлук же тең салым тууралуу билдирүү жок.

Мекемелер: Department of Chemistry, Vaal University of Technology, Vanderbijlpark, South Africa; Department of Pure and Industrial Chemistry, University of Africa, Toru-Orua, Bayelsa, Nigeria.

Журнал: Chemistry.

Басма: MDPI, Basel, Switzerland.

Булак түрү: Article; лабораториялык масштабдагы эксперименттик batch adsorption жана adsorption-modeling изилдөөсү.

Том / сан / макала номери: 8 / 9 / 120.

DOI: 10.3390/chemistry8090120.

Келип түшкөн: 25 июнь 2026.

Ревизия: 31 июль 2026.

Кабыл алынган: 6 август 2026.

Жарыяланган: 31 август 2026.

Academic Editors: Lucian Baia жана Monica Baia.

Рецензиялоо статусу: Chemistry — MDPI тарабынан жарыяланган эл аралык рецензиялануучу илимий журнал.

Лицензия: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

Preprint статусу: Булак макалада өзүнчө preprint жазуусу көрсөтүлгөн эмес.

Каржылоо: Center for Scientific and Industrial Research, South Africa; grant CSIR/VUT/209044845. Article processing charge Vaal University of Technology тарабынан каржыланган.

Маалыматтардын жеткиликтүүлүгү: Булак оригинал салымдар макалада жана Supplementary Materials ичинде бар экенин; кошумча суроолор corresponding authorга жөнөтүлүшү мүмкүн экенин билдирет.

Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор кызыкчылыктардын кагылышы жок экенин билдиришкен.

Ыраазычылык: Изилдөө ресурстарына жетүү үчүн Vaal University of Technology жетекчилигине; техникалык колдоо жана тажрыйба салымы үчүн Ezekiel Dixon Dikioго ыраазычылык билдирилген.

Авторлордун салымдары: Conceptualization: F.M.M., C.W.D.; methodology: C.W.D.; software: C.W.D.; validation: C.W.D., F.M.M., S.U.; formal analysis: C.W.D., S.U.; investigation: C.W.D., S.U.; resources: C.W.D., F.M.M., S.U.; data curation: C.W.D., S.U.; writing—original draft: C.W.D., S.U.; writing—review and editing: C.W.D., F.M.M., S.U.; visualization: C.W.D., S.U.; supervision: F.M.M.; project administration: C.W.D., S.U.; funding acquisition: F.M.M.

Негизги адсорбент: Pristine Zn-H₃btc zinc-trimesate metal-organic framework.

Негизги адсорбат: Pb(II) иону.

Негизги мүнөздөө ыкмалары: FTIR, SEM, EDS, PXRD, TGA жана DTG.

Негизги batch өзгөрмөлөрү: баштапкы концентрация, байланышуу убактысы, pH, адсорбент дозасы жана температура.

Негизги модель жыйынтыгы: Langmuir модели R² = 0,9934 менен салыштырылган үч изотерманын арасында эң жогорку дал келүүнү берген.

Моделдин максималдуу сыйымдуулугу: Qm = 54,05 mg/g.

Негизги кинетикалык жыйынтык: Булак pseudo-second-order кинетикалык моделин эң ылайыктуу модель деп аныктап, хемосорбциянын пайдасына чечмелеген.

Негизги термодинамикалык жыйынтыктар: ΔHx = 133,39 kJ/mol; Ea = 14,42 kJ/mol; S* = 0,014; булакта берилген ΔG маанилери 290, 301 жана 311 K үчүн −20,34, −20,40 жана −20,45 kJ/mol.

Булак ичиндеги формула дал келбестиги: Реактивдер тизмесинде Pb(NO₃)₂, сток эритме сүрөттөмөсүндө PbNO₃ жазылган. Ошондой эле zinc nitrate формуласы реактивдер тизмеси менен синтез сүрөттөмөсүндө бирдей жазылган эмес.

Булак ичиндеги Temkin теңдеме маселеси: Теңдеме (5)тин экинчи мүчөсүнүн бөлүүчүсүндө аныкталбаган “i” символу бар.

Булак ичиндеги pseudo-first-order теңдеме эскертүүсү: Теңдеме (10)до логарифмдин кашаа чеги ачык эмес; булак формасы өзгөртүлбөстөн сакталган.

Булак ичиндеги Freundlich айырмасы: Негизги текст 1/n = 0,25, ал эми 2-таблица 1/n = 0,26 деп билдирет.

Булак ичиндеги термодинамикалык дал келбестик: 4-таблицада ΔH бирдиги kJ/kmol деп басылган; ΔS терс берилген; ошого карабастан ΔG маанилери температура жогорулаган сайын көбүрөөк терс болуп калган. Бул сандардын Теңдеме (16) менен түздөн-түз дал келбеши булакта түшүндүрүлгөн эмес.

Булак ичиндеги морфология айырмасы: SEM талкуусунда Zn-H₃btc кичинекей шар сымал кристаллдар жана rod-like түзүлүштөр катары тең сүрөттөлөт.

Supplementary Materials аталыш айырмасы: Колдоочу файлдардын түшүндүрмөсүндөгү айрым таблицалар Zn-H₂btc деп аталган; негизги макалада изилденген адсорбент Zn-H₃btc.

Негизги методологиялык чектөө: Изилдөө чыныгы саркынды сууну колдонгон эмес; бет аянты, көңдөй бөлүштүрүлүшү, беттик заряд, кристаллит өлчөмү жана reusability өлчөөлөрүн жүргүзгөн эмес.

Механизмдин чеги: Булак хемосорбция чечмелөөсүн pseudo-second-order кинетикасы жана жогорку изостерикалык жылуулук менен колдойт; бирок Ea жана S* үчүн колдонгон классификациялары physisorption багытындагы көрсөткүчтөрдү да камтыйт. Ion exchange жана surface complexation мүмкүн болгон механизмдер катары талкууланган, түздөн-түз механизмди айырмалоо жүргүзүлгөн эмес.

Чыныгы дүйнө чеги: Жыйынтыктар көзөмөлдөнгөн синтетикалык суудагы Pb(II) эритмелерине тиешелүү; чыныгы өнөр жай саркынды суусу же пилоттук түзүлүш көрсөткүчү эмес.